在我們的日常生活中，一般物質以三種形態——固相、液相、氣相而存在。眾所周知，在常壓下，水在0℃以下呈固相(冰)，在0℃～100℃時呈液相，在100℃以上時則變為氣相(水蒸氣)。雖然中學課本中都是這么說的，然而，物質的這三種形態決非其形態的全部。實際上有許多種有機物，都呈現一種介乎于液相與固相之間的形態，科學家稱這種異常物質形態為“液晶”。“液晶”這一術語乍聽起來有點矛盾，而它的確是一種具有各種迷人特性，并可廣泛實際應用的物質形態。

　　一百多年前，一位名叫F·賴尼策爾的奧地利植物學家在一種膽固醇的衍生物——膽甾醇苯酸酯中首先發現了一種新奇的物質相。在由固相融為液相的過程中，這種衍生物呈現出了一種奇特的、用當時的幼稚物質理論無法解釋的特性。此后，科學家做過種種研究，試圖弄清楚這種豐富多彩的物質形態——液晶相。液晶除了是一種物質從固相化為液相過程中的一種異常物相外，還具有其他新穎的性質。例如：對電場發生響應，影響光偏振等。二十多年前，液晶的這種電、光特性首次被用來傳遞信息。今天，液晶顯示(LCD)已廣泛地用于手表、計算器、飛機以及其他各種設備。在今天這個科技時代，液晶已充當了人與機器之間的至關重要的接口，并且可以預測，在未來，隨著對信息顯示需求的與日俱增，液晶顯示將發揮越來越大的作用。目前，液晶顯示正在用于各類計算機彩顯終端。

　　制做新式的液晶顯示，并解釋弄清這些奇特物質行為，需要求助于許多科學領域的基本原理，其中以光學、電磁學、熱力學、物質物理學尤為重要。科研人員用了多年時間才研制并完善了一種實用型的商業性電——光液晶顯示設備。然而，液晶顯示及其原理的物理學基礎并非天方奇物，而是我們日常生活的一個部分。下文我們將介紹幾個簡單試驗及其說明，以填充基礎物理學與技術之間的斷層。通過研究液晶而得到的科學概念，可以用來激發學生討論物質的各種形態、電磁力、光散射、折射率以及光偏振等。

　　一、物理學家對物質的描述

　　物理學家向來對應用自然界中的基本原理解釋復雜的物質結構頗感興趣，區別物質甲相與乙相的，是其分子結構的排列形式。例如：固相(或晶相)物質的分子或原子在空間中占有固定的位置，因此，我們說晶相位置有序(positionaLorder)。此外，晶相物質分子的取向受其他分子取向的制約，所以我們說晶相取向有序(ori-entationaLorder)。當物質由固相融為液相(有時稱做各向同性態)時，位置有序性和取向有序性全部消失，使得分子可以自由自在的運動，翻騰。

　　液晶相時，物質的分子保持了那些既象液體又象晶體的性質。向列相(nematicphase)是液晶相中最簡單、最普通的一種，其分子以類似液相時分子的方式運動，不過保持沿特定方向(叫做向列準線)取向。取向有序性在向列相中的程度不如晶相那么近乎完美，然則卻為一般液相不具備，該相所表現出的性質既象液體，也象晶體，所以應該給它取個新的名稱。

　　物質常常有幾種液相，除向列相外，另一種液晶相是層列相(smecticphase)。層列相的分子分層排列，層內分子相互平行，其取向可以與層面垂直，或與層面傾斜。層列相共分八種，隨著溫度的升高，層列相出現的順序為E，H，G，F，I，B，C，D，A。學家通常根據其分子傾斜的角度以及層面間的位置有序性來區分各種不同的層列相，此外，生物界還發現了各種液晶相，例如：細胞膜。

　　一切呈現一種或多種液晶相的物質都有一個共同特性：它們的分子都是長形分子。科學家說明液晶相的傳統方法是用代表分子簇的許多細棒的特定排列。當然我們也可以用非傳統的方法加以說明，譬如說用人代表分子簇。物質處于液晶相時，其取向朝上的分子與朝下的分子等價。若用人而不用細棒，就是說，只要人的自身平行，無論他們的頭朝上還是朝下都一樣。

　　液晶的發現已有上百年的歷史，但自二十世紀七十年代起，由于發現了液晶的一系列物理效應，才引起人們注意。液晶是一種具有特定分子結構的有機化合物凝聚體，這類有機化合物在相變時，不是由晶態直接變為液態，而是要經過一個過渡態。液晶既具有液體的流動性，又具有晶體的有序性。液晶的力學性質如同流體，但它的電、光、熱等物理性質卻如同晶體，具有顯著的各向異性。(本段為譯者增補)

　　二、液晶的光學特性

　　當光線穿過液晶時，液晶的許多迷人特性都表現出來了，大家都知道，光通過透明物時的速度小于穿過真空時的速度。物質的折射率就是這一特性的量度，即物質光學密度的量度。如：光通過玻璃的速度小于通過空氣的速度，于是就說玻璃的光學密度比空氣的大。當然，用光學原理描述液晶并不太簡單，而且，單用折射率進行描述根本就不可能。由于長形分子的緣故，光沿與長形分子平行的方向和沿長形分子垂直的方向通過時的速度不同。因此說液晶有雙折射性(refringent)。換句話說，就是要用兩個折射率來描述這種異常行為。正是這一特性，使得在光學顯微鏡的正反偏振片下精確地研究液晶成為可能。這一特性，也是大多數液晶應用的基礎。把液晶物質置于兩塊偏振片之間，其雙折射性就可以清楚地展現出來。

　　通常，不會有光亮出現，即呈暗色，因為穿過第一塊偏振片的偏振光將被第二塊偏振片完全吸收。如果在兩正交偏振片之間放入一般液體，什么變化也沒有，因為一般液體不影響光的偏振，所以穿過第一塊偏振片的偏振光仍被第二塊偏振片吸收。但是，若放入液晶，其結果就大不相同，即有亮光出現。這就是說，放入液晶后，偏振光的偏振方向發生了某種旋轉，因而能夠從第二塊偏振片上射出。

　　液晶對偏振光的這種效應并不難理解。試考慮光的電場矢量在任意時刻都具有與相位差為零的長形分子取向平行或垂直的分量，光穿過液晶時，兩束偏振光沿同一方向以不同的速度運動，穿過液晶介質時，由于雙折射的原因，一束偏振光將先于另一束偏振光，最后兩束偏振光以一個相位之差而出射。由于由液晶出射的是一種橢圓形偏振光，因此一些光能夠從第二塊偏振片出射。液晶的這種雙折射性質，已應用于各種顯示。

　　研究液晶的最常用，最基本設備就是配有正交偏振片的顯微鏡。人們可以用這種顯微鏡辨認液晶的不同相，以及由一相轉化為它相時的確切溫度。通過顯微鏡可見，向列相與層列相A的結構迥然不同：向列相呈線狀，而層列相卻呈扇狀。液晶其他相之間的差別通常比較細微，只有仔細加經驗才能辨別。

　　液晶物質由一相變為它相，發生明顯的視覺變化，因而是制作測溫設備的理想材料。有些液晶混合物在1℃的范圍內就呈現幾個相，故可使溫度監控十分準確。選擇適當的液晶混合物來制作溫度計，可以滿足各種溫度測量的需要。作為顯示應用，具體則取決于向列相的性質，當然，向列相應該在很大的溫度范圍內保持不變。現在，已有在-30℃～90℃之間保持不變的向列相材料，可用于溫度變化很大的情況。

　　三、液晶應用種種

　　以上，我們已經弄清了液晶的光學行為，這里我們將繼而探討怎樣利用液晶的雙折射性質制造實用設施。首先，我們再談一個液晶分子的十分重要的特性：在電磁場中可以整齊排列。這一特性是組成長形分子的原子的排列結果。也是由分子中的原子鍵本質決定的，另一點值得一提的是，把液晶材料置于兩個電極之間對電場產生響應。

　　這一現象的深層原理是，電場對于液晶分子的原子電荷(正核、負電子)施加力的作用，液晶分子可能在本征上一端微顯正電，另一端則微顯負電(叫做永久電偶極子)。在電場存在的情況下，分子的帶電部分受兩個相向力的作用。于是沿電場方向排列。如果液晶分子不能這樣分離電荷，電場則將正電荷移至分子的一端，把負電荷移至分子的另一端(叫做感應電偶極子)。于是同佯使液晶分子在電場中整齊排列。一般說來，液晶分子要么具有永久電偶極子，要么具有感應電偶極子，這些電偶極子造成分子在電場中的整齊排列。大多數液晶分子對電場的響應是：整齊排列，其長形分子方向與電場方向平行。當然，也有可能有些分子整齊排列后，其長形分子軸與電場方向垂直。

　　液晶分子對磁場的響應和對電場的響應類似，當加上磁場時，分子中的有些電荷變成由運動電荷組成的小圈，這就是感應磁偶極子，其南北極方向沿磁場方向，感應磁偶極子的方向既有可能沿長形方向，也有可能正交于長形方向。因此，液晶分子的整齊排列要么與磁場方向平行，要么與磁場方向垂直。對于以上應用，用磁場既不方便，也不實用，故一般僅限于研究。

　　利用液晶分子的雙折射性以及長形分子能夠沿與電場方向相互平行的方向整齊排列這一性質。我們可以制作多種液晶設備。最常用的液晶顯示，也可能是迄今為至研究得最廣泛、最完善的顯示裝置就是用扭曲層列相(TN)液晶材料制作的。這種顯示裝置由以下部分組成：兩塊有透明傳導鍍膜的玻璃。可精確控制間隙的微調距模板，兩塊偏振片以及適當的液晶材料，用這些元件制作液晶顯示裝置并不困難。

　　扭曲層列相液晶顯示裝置的工作原理很容易理解。根據光學原理，由頂偏振片出射的偏振光完全被底偏振片吸收，結果沒有光亮出現(見圖1a)。若在兩塊傳導玻璃片之間置入層列相液晶(見圖1b)材料，并分別在兩塊玻璃片上各貼上一塊取向相互垂直的偏振片，玻璃片的表面經特殊聚合物處理，并用棉紗對之沿偏振片方向拋光。拋光使得液晶分子(圖中用卷煙似的圓棒表示)的長形軸取向與偏振光平行(如圖1b)所示。由于頂板上的分子取向為長形軸左右取向，底板上分子的取向為長形軸前后取向，因此，層列相液晶要發生90°的旋轉，故這種顯示裝置叫做扭曲層列相液晶顯示裝置，非偏振光穿過頂部的偏振片后，變成與該偏振片上的層列相液晶方向相同的偏振光，通過液晶夾層后，又變成了旋轉了90°的線性偏振光。換句話說，當它到達底部偏振片時，偏振方向旋轉了90°，因此，顯示裝置透亮。

　　此處值得一提的是，能使偏振光發生旋轉的并非只有液晶，有些其他物質也有這種性能，例如：糖溶液由于其分子的不對稱性，也能使偏振光偏振方向改變，但是其本質有所不同，液晶的這種性能是由于其長形分子相互取向的結果，盡管糖溶液(以及其他物質)和液晶都能使偏振光通過它們后方向發生變比，但發生這種變化的機理在本質上不同。

　　現在探討扭曲液晶顯示裝置加上電場后的情景(如圖1c所示)，加上電場后，分子沿與電場平行的方向整齊排列，結果破壞了90°扭曲。光通過扭曲液晶層后，偏振光的偏振方向并沒有發生任何變化，因此，被底部偏振片吸收，這與圖2(a)中沒有液晶介質時的情景一樣。如果移去電場，分子變回起初那種扭曲狀態，顯示裝置再次變得透亮。

　　對于大多數的液晶顯示裝置，例如：手表，袖珍計算器，等等，在底偏振片的后面加上一塊反光鏡即可。在無電場存在的情況下，偏振光以上述方式穿過扭曲液晶夾層。當光由底偏振片出射后，反射鏡把它反射回去，使它再次通過扭曲液晶夾層后再由頂偏振片出射。這時，顯示裝置呈亮銀色，加上電場后，由頂偏振片出射的光通過夾層時，不受整齊排列的液晶分子的影響，因此完全被底偏振片吸收，于是便無光照到反光鏡上，故顯示裝置不發亮，玻璃板上事先配備好組成阿拉伯數字的小段形電極，這樣，如果給適當的字段加上電壓，數字就顯示出來。

　　一種嶄新的液晶技術——摻聚合物液晶顯示(PDLC)裝置正在誕生之中，其工作原理就是電控光散射這一獨特原理。也就是說，顯示裝置透亮程度可以通過電控制使之呈乳白色、不發亮態及透亮態.PDLC顯示裝置由兩塊傳導玻璃中間夾上摻聚合物的液晶構成。液晶呈被固態聚合物包圍的微滴。若借用折射率參量進行討論，我們必須考慮三個主要值：np(聚合物折射率)，n‖(與長形液晶分子平行的折射率)，以及n⊥(與長形液晶分子垂直的折射率)。怎一看，由于增加了聚合物，問題可能變得復雜化，但PDLC顯示裝置的工作原理(見圖2)相當簡單。

　　如圖2(a)所示，若無電場存在，全部液晶微滴隨機取向。投射到PDLC上的非偏振光通常和與偏振方向平行、垂直或兩者之間任意夾角的微滴相互作用。因此，光通過扭曲層后，其折射率改變。結果光被大多數的微滴散射，故顯示裝置呈乳白色。

　　如圖2(b)所示，若有電場存在，PDLC呈透亮態，這時，液晶微滴沿平行于電場的方向整齊排列，非偏振光通過時，要受n⊥的作用。若np與n⊥相匹配時，發生在微滴邊緣的散射最小，這時顯示裝置呈透亮態，若移去電場，微滴返回隨機取向。顯示裝置也返回到起初的乳白色狀態。

　　PDLC顯示裝置的主要優點是，不需要偏振片，成本低，而且容易制造，另一個優點是可以與各種靈活透明電極一起使用。可以預言，在不久的將來，PDLC顯示裝置將會商業化，與用戶見面，將用于大型辦公樓的太陽能控制，汽車上的陽頂，私密性強的窗戶，也可能用于大型廣告牌。

　　四、為何要研究液晶？

　　在今天的科技時代，液晶顯示裝置已成為傳遞信息的壓倒一切的工具，每個人在其生活中都與這樣或者那樣的液晶裝置打交道，您的手表、袖珍計算器、音響設備、您汽車上的車速表或鐘表，很可能您家中的電器都帶有液晶顯示。計算機工業如今正在制造折疊式計算機，其終端就采用液晶顯示。因為液晶顯示終端的功耗小，體積比一般陰極射線管終端小得多。若把光源放在后面，并使用濾色后。還可能制造折疊計算機的彩顯終端。當然這種設備也有它的缺點；清晰度仍然有限。目前，大量的研究工作正在圍繞該問題展開。

　　液晶不僅為各種應用提供了無窮無盡的可能，而且其奇特的性質多年來一直為廣大科學家頗感興趣。從現在到遙遠的未來，液晶的獨特性質以及諸相，將一直是物理學家關注的焦點。1991年度諾貝爾物理學獎獲得者P.G德格尼斯(deGennes)教授之所以獲此大獎，部分原因就是因為他為液晶物理學作出了巨大的貢獻。現在，把液晶問題引入物理學的引論課程的時機比以往任何時假都更加成熟。大家都聽說過液晶，但很少有人真正了解它的特性。在討論物相、物質的電磁特性、光學特性、偏振概念、物相轉變以及折射率時，液晶也是一個理想的討論題目。至關重要的是，液晶可以在基礎物理學和應用技術之間架起一座橋梁。我們經常聽到學生說：“我學這個到底有什么用？”難道不是這樣嗎？

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